Nitretação gasosa em fornos estanques tipo câmera

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BURNING FOR YOU

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Nitretação gasosa

em fornos estanques tipo câmera

Wolfgang Waitz

Gerente Engenharia

Linn High Therm GmbH

Thomas Detlef Kreuzaler

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Linn High Therm

Fundada em 1969 e desde 1979

Localizado em Eschenfelden/Bavaria

na Alemanha, a empresa é

Especializada em fornos laboratórios,

Industriais de pequena porte, de alta

temperatura, de processos especiais com

aquecimento elétrico, a indução e com

micro-ondas.

No Brasil a Linn High Therm forneceu além

de fornos singulares para outros clientes em

2001 mais do que 252 fornos laboratórios e

câmeras para o governo, que são instalados

nas universidades e institutos no pais inteiro.

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Nitretação gasosa em fornos estanques tipo câmera

• Introdução no processo

• Fornos estanques, com seleção considerado

de construção e materiais, opções

• Segurança

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Cementação

920°C, CH

₄

590°C, NH

₃

N

H

**N* +H**

₂

Fe

Nitretacão

Cementação e nitretação = diffusão

Fe

_x

C

Fe

_x

N

(Carbonitretação)

(Nitrocarburação)

860°C 620°C

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5 0 100 200 300 400 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Temperature [°C ] P arti al pr essur e %

P

H2

P

NH3

P

N2 Diffusion and Fe2N reaction Transportation of NH3 Adsorbtion of NH3 Dissociation of NH3 Adsorbtion of N Creation of H2and N2

Nitretação curta

Tempo: 1-2h

Temperatura: 570°C

Profundidade nitretação: <0,2mm

Camada composta: 10-20µm

Nitretação longa

Tempo: 10-160h

Temperatura: 500-530°C

Profundidade nitretação: <0,1-0,9mm

Camada composta: < 30µm

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Hexagonal compacta (HC) Fe

₃

N -

e

Cubica de fases centradas (CFC) Fe

₄

N -

g’

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A criação da camada

composta

Porosidade da camada branca

à instabilidade de fases Fe-N(-C-)

Perfil da Dureza

Borda porosa

Camada composta Camada de difusão

Profundidade da dureza da nitretação

Distancia de superficie

Dureza/Resistencia

cont

ra des

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Isolação superior: fibra cerâmica altamente comprimida - “módulo de tijolo leve” Isolação inferior: sílica de cálcio micro porosa

Resistências: FeCrAL Kanthal A1 (1320°C) ou APM (1400°C)

Heating and insulation system KS(F)-S furnaces

Ductos:

termopares entrada de gás saída de gás

Resistencias encaixadas nas entalhes

Resistências abaixas cobertas

Solo de SiC (revestimento com Al₂O₃)

Módulos leves

de fibras cerâmicas

Fibras

cerâmicas

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Heating and insulation system KS(F)-S furnaces

Material:

1.4841 (AISI 314) T _max1100°C (útil 600-850°C) 1.4828 (AISI 309) T_max 1000°C

2.4851 (Inconel 601) T_max1150°C 2.4633 (Inconel 602 CA) T_max 1200°C

Entrada gás Saída gás

Tubo de termopares de processo

Flange com resfriamento de agua

Retorta e porta da cima

Vedação Chapas de radiação

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Dissociação de NH

₃

nas

superfícies de varias metais

em relação a temperatura

Dissociaçã o de amôn ia l/m²h

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Entrada

de gas

Saida

de gas

termopares

Vedação

flange

Com resfriamento da agua

Chapas de

radiação

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13 Saida trocador fã

Resfriamento gás

tro cador Fã Motor flange for 4 additionel thermocouple Bombas mecanicas (2x 16m³/h) Resfriamento rápido Alta potencia convecção forcada Estanque no vácuo

Resfriamento natural chaminé

STANGE SE 702 controlador integrado 3 zonas aquecimento 3 termopares de zonas 4 termopares da carga Nível Vácuo Entrada gases Fã otimisasda flab

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06/04/2018

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Gas in Gas out Thermo couples

Resistências

Módulos leve de fibras comprimidas

Fibras porosa

Termopares

Termopar segurança

Distribuição de gás

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Armadilha de condensação

Zona 1

Zona 2

Zona 3

3 termopares

T_max 850 com inversor fc motor T_max1050°C

Controle de temperatura

de 3 zonas

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„Bubbler“ –

umidificação

controlada

flab

blower

M FC 1 M FC 2 tub e h eater 120°C B ubbler B ubb ler h eating rt – 80°C heat exchanger

blower

Ponto de orvalho de hidrogenio –60°C

Resfriamento rápido com ar ou agua

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O pacote da segurança precisa um controlador capaz de trancar alguns passos de processo alimentado com informações de sensores e contatos da controle como controladores da STANGE. Fornos com atmosfera combustível e explosível precisam um pacote de segurança para evitar explosões e deflagrações:

- supervisão de tempo de purga (vácuo/nitrogênio) - supervisão de fluxo de gás inerte da purga

- supervisão de fluxo de gás protegida

- supervisão de teor de oxigênio atual no forno

- supervisão de abastecimento de gas de purga de emergência - trancar de portas durante o processo de tratamento térmico

Na linha de abastecimento do hidrogênio existem dois válvulas solenoides com filtro. Caso tem problemas com purga de hidrogênio, não o controle não permite a operação com hidrogênio.

Caso tem problemas om fluxo de gases ou com o forno, quando gases combustíveis entram no forno, a purga da emergência com nitrogênio começa imediatamente.

Se a pressão da gás da purga esta baixa e a purga na começa, da emergência durante o processo ou no fim não está garantido, o forno não começa com a programa.

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Fator

purgaFator dapurga

Ponto orvalho

Oxigênio residual Vacúo

Fator da Purga= 1 Fator da Purga= 3 Fator da Purga= 6 V = volume gás purga Vo = volume câmara S = fator purga

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Spülfaktor H2 % N2 % H2 0 100 0 0,1 90,48374 9,5162582 0,13 87,80954 12,1904569 0,2 81,87308 18,1269247 0,3 74,08182 25,9181779 0,4 67,032 32,9679954 0,5 60,65307 39,346934 0,6 54,88116 45,1188364 0,7 49,65853 50,3414696 0,8 44,9329 55,0671036 0,9 40,65697 59,343034 1 36,78794 63,2120559 2 13,53353 86,4664717 3 4,978707 95,0212932 3,6 2,732372 97,2676278 4 1,831564 98,1684361 4,4 1,227734 98,772266 5 0,673795 99,3262053 6 0,247875 99,7521248 7 0,091188 99,9088118 8 0,033546 99,9664537 9 0,012341 99,987659 10 0,00454 99,99546 11 0,00167 99,9983298 12 0,000614 99,9993856

Purga de fornos cheios de hidrogênio

Limites as 200°C 81,3% - 2,9% Limites as 300°C 83,9% - 2,1% Limites as 400°C 87,6% -1,5% Limites as 20°C 75,6% - 4,1% hydrogen 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% Air 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0% 1bar, 20°C, 4,1-75,6% H₂ 10bar, 20°C, 4,9-72,4% H₂ 100bar, 20°C,5,8-74,1% H₂

Limites de explosividade em relação a temperatura

Limites de explosividade em relação a pressao

Temperaturabhängigkeit (Abschätzung) der Unteren EX Grenze UEG(T) ≈ UEG (25 °C) * (1- 0,0011 (T-25))

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Pós combustão

Controlador de fluxode massa

Mediação de oxigênio residual (controlador apropriado

tipo STANGE SE 6xx/7xx) door lock

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25 Controladores potentes com CLP integrado para supervisão (STANGE)

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Forno de desenvolvimento e testes (da Linn/Stange)

Faculdade de Processos de Tratamento Térmicos da

Universidade Técnico do Freiberg (TU Freiberg)

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